Kolbenmaschinen 5 Ladungswechsel Gemischaufbereitung · Ventiltrieb eines 4--VentilVentil--MotorsMotors Kolbenmaschinen 5 Ladungswechsel und Gemischaufbereitung Herzog ... Ladungswechselverluste

55 Ladungswechsel und Ladungswechsel und GemischaufbereitungGemischaufbereitung

5.1 Ladungswechsel

5.2 Gemischaufbereitung und Motorsteuerung

Kolbenmaschinen 5 Ladungswechsel und Gemischaufbereitung Herzog

5.1 Ladungswechsel5.1 Ladungswechsel

� Ventiltrieb� Ladungswechselverluste� Steuerzeiten


� Steuerzeiten� Nockenkraft

Ventiltrieb eines 4Ventiltrieb eines 4--VentilVentil--MotorsMotors


Quelle: VW

VentiltriebskonfigurationenVentiltriebskonfigurationen


Quelle: van Basshuysen/Schäfer

Ladungswechselverluste DieselLadungswechselverluste Diesel-- oder oder Ottomotor bei voll geöffneter DrosselklappeOttomotor bei voll geöffneter Drosselklappe


Quelle: Pischinger

Ladungswechselverluste eines Ottomotors im Ladungswechselverluste eines Ottomotors im Teillastbetrieb bei teilweise geöffneter DrosselklappeTeillastbetrieb bei teilweise geöffneter Drosselklappe


Quelle: Pischinger

Öffnungsquerschnittsflächen der Steuerungsorgane in Öffnungsquerschnittsflächen der Steuerungsorgane in Abhängigkeit der KurbelwellenpositionAbhängigkeit der Kurbelwellenposition


Quelle: Pischinger

StrömungsquerschnittStrömungsquerschnitt


Quelle: Pischinger

Einfluss der SteuerzeitenEinfluss der Steuerzeiten

� Auslass öffnet (Aö)– Aö früh: Hohe Expansionsarbeitsverluste, niedrige

Ausschiebearbeit– Aö spät: Niedrige Expansionsarbeitsverluste, hohe

Ausschiebearbeit� Einlass öffnet (Eö) und Auslass (As) schließt


� Einlass öffnet (Eö) und Auslass (As) schließt– Eine große Überschneidung bewirkt ein teilweises Durchströmen der

Zylinderladung (Spülverluste) und somit eine Verringerung des Wirkungsgrades, aber auch eine bessere Restgasausspülung und größere Zylinderfüllung und somit höhere Leistung.

� Einlass schließt (Es)– In Bezug auf das Füllungsverhalten hat die Steuerzeit Es einen

wesentlich stärkeren Einfluss als alle anderen Steuerzeiten. Ein frühes Es bewirkt hohes Drehmoment im unteren Drehzahlbereich und Füllungsverluste bei hohen Drehzahlen. Einspätes Es bewirkt hohe Nennleistung bei Verlusten im niedrigen Drehzahlbereich.

Steuerzeiten von OttomotorenSteuerzeiten von Ottomotoren

Typische Steuerzeiten von Ottomotoren:� Auslass öffnet (Aö): 50°-40° vor UT� Auslass schließt (As): 4°-30° nach OT� Einlass öffnet (Eö): 30°-10° vor OT

Einlass schließt (Es): 40°-60° nach UT


� Einlass schließt (Es): 40°-60° nach UT

Zum Vergleich Suzuki GSX-R600 im Renntrimm:� Auslass öffnet (Aö): 78° vor UT� Auslass schließt (As): 50° nach OT� Einlass öffnet (Eö): 54° vor OT� Einlass schließt (Es): 82° nach UT

Vergleich des Ladungswechsels eines PkwVergleich des Ladungswechsels eines Pkw--Motors mit dem eines HochleistungsmotorsMotors mit dem eines Hochleistungsmotors


Quelle: AVL

Vollvariable Ventilhubsteuerung („Valvetronik“) Vollvariable Ventilhubsteuerung („Valvetronik“) der Firma BMWder Firma BMW


Quelle: van Basshuysen /Schäfer

Zylinderkopf der Firma BMW mit Zylinderkopf der Firma BMW mit „Valvetronik“„Valvetronik“--SystemSystem


Quelle: van Basshuysen /Schäfer

Verringerung der LadungswechselVerringerung der Ladungswechsel--verluste durch variables Einlassschließenverluste durch variables Einlassschließen


Quelle:van Basshuysen /Schäfer

NockenkraftNockenkraft

FFE Federkraft


mredmred x

x

Nockenkraft

xmFF redFEN &&⋅+= mred = bei Tassenstößeln Summe der Massen von Tasse, Ventil, Einstellplättchen, Keilen und ein entsprechender Anteil der Feder

Ventilhub, Ventilgeschwindigkeit und Ventilhub, Ventilgeschwindigkeit und Ventilbeschleunigung (MV Agusta F4 1000)Ventilbeschleunigung (MV Agusta F4 1000)

0123456789

10

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Nockenwinkel in Grad

Ven

tilh

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in m

m

Prof il c4a44

0.2

0.3

Ges

chw

ind

igke

it in

mm

/Gra

d


-0.3

-0.2

-0.1

0

0.1

0.2

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180


Ges

chw

ind

igke

it in

mm

/Gra

d

-0.01

-0.005

0

0.005

0.01

0.015

0.02

-180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180


Bes

chle

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igu

ng

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m/G

rad

^2

ÜbungsaufgabeÜbungsaufgabe

Gegeben sind die Ventilerhebungskurve sowie die Ventilbeschleunigung in Abhängigkeit vom Nockendrehwinkel einer modifizierten Nockenwelle für den Motorradmotor einer MV Agusta 1000 F4. Außerdem sind die bewegten Massen des Ventiltriebes bekannt. Berechnen Sie die zulässige Höchstdrehzahl des Motors in Bezug auf das Abheben des Ventils von der Nocke. Vereinfachend kann die Masse der Ventilfeder zur Hälfte zu den bewegten Masse des Ventiltriebes addiert werden. Ventiltriebsdaten:


Ventiltriebsdaten: Masse des Ventils mV = 27 g Masse der Ventilfeder mFE = 44 g Masse von Ventilteller und Keilen mT = 8,5 g Masse von Tasse und Ventileinstellplättchen mT = 23,9 g Ventilfedersteifigkeit cFE = 71,1 N/mm Vorspannweg der Ventilfeder in Einbaulage bei nicht betätigtem Ventil lV = 3,4 mm Ventilspiel s = 0,2 mm

5.2 5.2 Gemischaufbereitung und Gemischaufbereitung und MotorsteuerungMotorsteuerung

� Motorsteuerung� Kraftstoffversorgung� Luftmassenmessung� Kurbelwellenpositionsbestimmung


� Kurbelwellenpositionsbestimmung� Lambdamessung

Gemischaufbereitung Gemischaufbereitung SaugrohreinspritzungSaugrohreinspritzung


Quelle: Bosch

Schema SaugrohreinspritzungSchema Saugrohreinspritzung

ZeitSpa

nnun

g

Druck-regler Einspritz-

ventil


Luft

Kraftstoff-pumpe

Tank

Ansaug-rohr

Gemischaufbereitung BenzinGemischaufbereitung Benzin--DirekteinspritzungDirekteinspritzung


Quelle: VW

Schichtladebetrieb bei Benzindirekteinspritzung Schichtladebetrieb bei Benzindirekteinspritzung durch durch TumbleTumble--BrennverfahrenBrennverfahren

Der Schichtladebetrieb erfolgt im Teillastbereich. Durch Schließen der Saugrohrklappe wird die Strömung im oberen Kanal beschleunigt, und es entsteht eine walzenförmige


Quelle: VW

entsteht eine walzenförmige (tumble) Strömung. Die Kraftstoffeinspritzung erfolgt im letzten drittel des Verdichtungstaktes und es entsteht im Bereich der Zündkerze ein zündfähiges Gemisch.

Betriebsarten der BenzindirekteinspritzungBetriebsarten der Benzindirekteinspritzung

�HomogenHomogenHomogenHomogen----Betrieb:Betrieb:Betrieb:Betrieb:Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt nahe eins.

�HomogenHomogenHomogenHomogen----MagerMagerMagerMager----Betrieb:Betrieb:Betrieb:Betrieb:Ein mageres Gemisch ist homogen im Brennraum


Quelle: VW

homogen im Brennraum verteilt. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt im Bereich von 1,55.

�SchichtladungsSchichtladungsSchichtladungsSchichtladungs----Betrieb:Betrieb:Betrieb:Betrieb:Nur im Bereich der Zündkerze befindet sich ein zündfähiges Gemisch. Das Luftverhältnis in dieser Betriebsart liegt zwischen 1,6 und 3.

VorVor-- und Nachteile der und Nachteile der BenzinBenzin--DirekteinspritzungDirekteinspritzung

� Vorteile– Geringere Drosselverluste im Schichtladungs- und

Homogen-Mager-Betrieb– Geringere Wandwärmeverluste im Schichtladungsbetrieb– Durch das direkte Einspritzen wird der Ansaugluft Wärme


– Durch das direkte Einspritzen wird der Ansaugluft Wärme entzogen, so dass sich die Klopfneigung verringert, und die Verdichtung erhöht werden kann

� Nachteile– Höhere Komplexität und höhere Systemkosten– Starker Anstieg der Stickoxide erfordert ein aufwendiges

Abgasnachbehandlungs-System

LiefergradLiefergrad

Der Liefergrad ist ein Maß für die im Zylinder nach Abschluss des Ladungswechsels verbleibende Frischladung.

Liefergrad ZZ1 V

mmm

ρ⋅==λ


Liefergrad thhth

1 Vm ρ⋅==λ

mZ = Zylinderfrischladung mth = theoretische Ladung je Arbeitsspiel Vh = Hubvolumen

thρ = theoretische Ladungsdichte

Kraftstoffversorgung einer SaugrohreinspritzungKraftstoffversorgung einer Saugrohreinspritzung


Quelle: Bosch

EinspritzventileEinspritzventile


Quelle: Bosch

KraftstoffKraftstoff--RailRail


Quelle: Bosch

ÜbungsaufgabeÜbungsaufgabe

Bestimmen Sie für einen 4-Zylindermotor mit Saugrohreinspritzung die Öffnungszeit der Einspritzventile pro Arbeitsspiel bei 3000 U/min und komplett geöffneter Drosselklappe. Der Motor besitzt ein Einspritzventil pro Zylinder. Wie groß ist die prozentuale Einspritzzeit pro Arbeitsspiel? Vernachlässigen Sie bei der Berechnung der Zylinderfüllung den Massenanteil des Kraftstoffes.


Durchflussmenge je Einspritzventil bei permanenter Bestromung Q = 149 ml/min Hubvolumen Vh = 2,0 l stöchiometrischer Luftbedarf LSt = 14,7 geforderter Lambda-Wert λ = 0.92 Liefergrad bei 3000 U/min 1λ = 0.95 Dichte der Luft Lρ = 1,2 kg/m3 Dichte des Kraftstoffes Kρ = 750 kg/m3

Motorsteuerung eines MotorradmotorsMotorsteuerung eines Motorradmotors


Quelle: MV Agusta

MotorsteuerungMotorsteuerung


Quelle: Bosch

Kraftstoffpumpe in einer TesteinrichtungKraftstoffpumpe in einer Testeinrichtung


HitzdrahtHitzdraht--LuftmassenmesserLuftmassenmesser


Quelle: Bosch

HeißfilmHeißfilm--LuftmassenmesserLuftmassenmesser


Quelle: Bosch

Aufbau eines HeißfilmAufbau eines Heißfilm--LuftmassenmessersLuftmassenmessers


Quelle: Bosch

Kennlinie eines HeißfilmKennlinie eines Heißfilm--LuftmassenmessersLuftmassenmessers


Quelle: Bosch

KurbelwellenpositionserfassungKurbelwellenpositionserfassung


Quelle: Bosch

KurbelKurbel-- und Nockenwellensensorund Nockenwellensensor


Quelle: Bosch

LambdasondeLambdasonde


Quelle: Bosch

Einspritzkennfeld eines mit Flüssiggas Einspritzkennfeld eines mit Flüssiggas betriebenen 2,5lbetriebenen 2,5l--TurbomotorsTurbomotors


Zündkennfeld eines 2,5l TurbomotorsZündkennfeld eines 2,5l Turbomotors


Einspritzkennfeld eines 1,0l MotorradEinspritzkennfeld eines 1,0l Motorrad--SaugmotorsSaugmotors


ÜbungsaufgabeÜbungsaufgabeEin Motor soll auf einfache Weise durch Erhöhung des Kraftstoffversorgungsdruckes für den Betrieb mit E85 (85% Ethanol, 15% Benzin) angepasst werden. Der Durchflusswiderstand des Einspritzventils kann als Durchflusswiderstand einer Blende angesehen werden. Dies bedeutet, dass der Durchfluss proportional zur Wurzel aus dem Versorgungsdruck steigt. Bestimmen Sie auf welchen Wert der Versorgungsdruck angehoben werden muss und mit welcher prozentualen Verbrauchserhöhung zu rechnen ist. Gegeben sind die folgenden Daten:


ist. Gegeben sind die folgenden Daten: Kraftstoffversorgungsdruck bei Benzinbetrieb pB = 3,5 bar stöchiometrischer Luftbedarf Benzin LSt,B = 14,7 stöchiometrischer Luftbedarf Ethanol LSt,E = 9,0 Heizwert Benzin Hu,B = 41500 kJ/kg Heizwert Ethanol Hu,E = 26800 kJ/kg Dichte Benzin ρB = 750 kg/m3

Dichte Etanol ρE = 789 kg/m3

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